Giải pháp hồi nhiệt từ máy nén khí bằng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

Thu hồi nhiệt thải từ các thiết bị trong công nghiệp và sản xuất là vấn đề được quan tâm hàng đầu, giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí. Trong đó, thu hồi nhiệt từ máy nén khí là giải pháp hiệu quả và áp dụng được trong nhiều ngành công nghiệp. Cùng tìm hiểu xem phương thức thu hồi nhiệt từ máy nén khí sẽ giúp công trình của bạn tiết kiệm được nhiều như thế nào tại bài viết dưới đây.

Lý do nên hồi nhiệt từ máy nén khí

Máy nén khí được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp để nén không khí từ điều kiện môi trường, thường là ở trạng khái không khí ẩm với áp suất tuyệt đối 1 bar, được nén lên tới áp suất phổ biến nhất là 6 bar và được khử ẩm bằng cách sử dụng các thiết bị hấp thụ ẩm. Quá trình nén có thể được thực hiện bằng máy nén dạng piston hoặc máy nén dạng trục vít, trong đó các phân tử khí được nén ép lại với nhau, làm tăng nhiệt độ của khí nén lên tới 60°C. Ngoài ra, ma sát cũng làm tăng nhiệt độ của dầu bôi trơn lên tới 80°C, điều này đòi hỏi quá trình làm mát dầu để đảm bảo hiệu quả tối ưu của dầu bôi trơn.

Một thực tế phổ biến là 72% đến 90% năng lượng điện cấp cho máy nén khí được thải ra dưới dạng tổn thất nhiệt. Lượng nhiệt này nếu không được hồi nhiệt tái sử dụng thì sẽ bị xả một cách lãng phí ra môi trường. Đồng thời, trong cùng một thời điểm, có thể có một lò hơi sử dụng nhiên liệu hóa thạch để cấp hơi, hoặc hệ thống bơm nhiệt để cấp nước nóng cho các quy trình khác trong nhà máy. Thật đáng tiếc, khi lượng nhiệt thải từ máy nén khí bị xả ra môi trường một cách lãng phí thông qua tháp giải nhiệt.

Thông thường máy nén khí được trang bị hai bộ trao đổi nhiệt tích hợp để chuyển đổi nhiệt, có thể là bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ (shell and tubes) hoặc bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hàn khi cần nhỏ gọn, hoặc bộ trao đổi nhiệt dạng tấm gioăng đệm (GPHE) khi cần thuận tiện cho vệ sinh, bảo dưỡng. Việc lựa chọn chủng loại bộ trao đổi nhiệt nào tùy thuộc vào hãng sản xuất máy nén khí.

Những lợi ích của hồi nhiệt từ máy nén khí

Hồi nhiệt từ máy nén khí không chỉ mang lại lợi ích trong việc bảo vệ môi trường, giảm lượng khí thải carbon và tiết kiệm chi phí, từ đó gia tăng lợi nhuận của nhà máy, mà còn cải thiện chất lượng về độ khô của khí nén. Đối với máy sấy khí nằm sau bộ làm mát khí nén, cần phải làm lạnh khí xuống 3°C để loại bỏ độ ẩm tự nhiên có trong không khí ẩm cấp vào. Tiết kiệm năng lượng từ hồi nhiệt cũng liên quan đến việc kéo dài tuổi thọ của các dụng cụ hay thiết bị hoạt động bằng khí nén, do khí nén chứa độ ẩm  cao là một vấn đề gây tác hại cho hệ thống.

Sơ đồ minh họa hoạt động điển hình của máy nén khí

Đối với các máy nén khí đã được lắp đặt và đang hoạt động, việc hồi nhiệt vẫn có thể thực hiện mà không cần phải loại bỏ hoặc thay thế các bộ làm mát hiện tại. Nếu máy nén khí được làm mát bằng tháp giải nhiệt, thì các lựa chọn hồi nhiệt đã đề cập sẽ mang lại lợi ích bổ sung như sau:

• Giải phóng khả năng làm mát của tháp giải nhiệt
• Tiết kiệm nước do nước bay hơi ít hơn
• Giảm chi phí xử lý nước của tháp giải nhiệt
• Giảm chi phí điện đối với quạt tháp giải nhiệt
• Lượng nước cấp ít hơn, do đó giảm lượng CaCO3 trong hệ thống và giảm đóng cáu cặn.

Xác định tiềm năng tiết kiệm từ hồi nhiệt

Model của máy nén khí thường đề cập đến công suất điện tiêu thụ của động cơ. Ví dụ, model máy XXX 72 YY có nghĩa là tiêu thụ công suất điện 72 kW. Máy nén khí này có thể cung cấp khí nén trong dải áp suất từ 4 đến 13 bar tùy thuộc vào nhu cầu, với lượng khí nén trong dải từ 8,8 đến 6,4 m³/phút theo tiêu chuẩn. Trọng lượng thiết bị là khoảng 1,5 tấn.

Ví dụ:
Chi phí vận hành của một máy nén khí tiêu thụ 72 kW điện trong 24 giờ mỗi ngày là 3,456,000 VND mỗi ngày (72 kW x 24 giờ x 2000 VND/kWh = 3,456,000 VND). Nhiệt được sinh ra chiếm 80% của công suất này và được phát ra môi trường như nhiệt thải có thể được thu hồi.
Nhiệt thu được từ khí nén hoặc dầu bôi trơn có thể tạo ra nước nóng để sử dụng cho nhiều ứng dụng trong công trình:

• Cấp nước nóng cho văn phòng hoặc nhà máy
• Làm nóng nước sơ bộ cho hệ thống cấp nước nóng
• Làm nóng nước sơ bộ cho lò hơi cấp hơi
• Nước nóng cho nhà WC và vòi sen
• Nước nóng cho các quy trình sản xuất
• Cung cấp cho hệ thống HVAC

Trong tổng số 72 kW công suất động cơ điện vận hành máy nén, chúng ta có thể giả định rằng 80% là nhiệt được thải bỏ, tức là 72 x 80% = 57,6 kW.
Hầu hết nhiệt được hấp thụ vào dầu bôi trơn chứ không phải là khí nén, tỷ lệ này khoảng 90/10. Nhiệt hấp thụ vào dầu trong ví dụ trên là khoảng 52 kW và nhiệt hấp thụ vào khí nén chỉ là 5,6 kW (hồi nhiệt từ khí nén không phải là giải pháp mang lại hiệu quả cao).

Hồi nhiệt từ dầu tới hệ nước nóng
Dầu bôi trơn: 95/90/85°C → 65/60/55°C
Nước sưởi ấm: 80/75/70°C ← 50/45/40°C

Hồi nhiệt từ dầu tới nước vòi sen
Dầu bôi trơn: 95/90/85°C → 65/60/55°C ***
Nước sưởi ấm: 80/75/70°C ← 30/25/20°C

Giữ nhiệt độ dầu ở mức trên 50°C ở đầu ra để duy trì các đặc tính vật lý mong muốn về độ nhớt dầu bôi trơn, đảm bảo hệ thống dầu bôi trơn ở trạng thái tốt nhất.

• Với máy nén khí được đặt trong phòng máy, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm gioăng đệm (GPHE) có thể được lắp đặt một phần trong vỏ máy hoặc nhô ra một chút từ vỏ máy.
  • Trong trường hợp thay thế, các bộ trao đổi nhiệt hiện có có thể được gỡ bỏ.
  • Khi trang bị hồi nhiệt, nên giữ lại các bộ trao đổi nhiệt đã được lắp đặt, phòng khi nhiệt thu hồi không có nhu cầu sử dụng, khi đó việc làm mát được thực hiện bằng hệ thống hiện có.

 Thay thế bộ trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ (shell-and-tube) bằng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm GPHE

Bộ làm mát dầu

Giả sử nhiệt độ của dầu và nước từ tháp làm mát.
Dầu bôi trơn: 85°C → 55°C
Nước từ tháp làm mát: 35°C ← 29°C (hoặc theo điều kiện địa phương)

Bộ làm mát khí nén

Khí nén thường được biểu thị bằng dòng chảy thể tích dạng Nm³/phút. Cần giả định rằng không khí với một hàm lượng nhỏ độ ẩm có thể được bỏ qua.
Khí nén: 60°C → 40°C
Nước từ tháp làm mát: 31°C ← 29°C (hoặc theo điều kiện địa phương)

Tài liệu của nhà sản xuất hiển thị lượng khí nén của mỗi model máy, dưới dạng lưu lượng tối thiểu và lưu lượng tối đa.

Khí nén càng được làm mát nhiều thì càng tốt, vì điều này sẽ giúp làm khô không khí tốt hơn khi qua bộ sấy khí, làm giảm nhiệt độ không khí xuống 3°C bằng môi chất lạnh, tách ẩm thông qua bộ tách dạng ly tâm và được làm nóng lại bằng không khí vào, cuối cùng khí nén được cấp tới nơi sử dụng ở 25-35°C dưới dạng khí khô.

>>Xem thêm: Thiết bị trao đổi nhiệt là gì? Ứng dụng như thế nào?

Khuyến cáo kỹ thuật

Khi chọn bộ trao đổi nhiệt dạng tấm GPHE để hồi nhiệt từ dầu, có thể sử dụng các thuộc tính của dầu ISO VG 46 làm thông số tham khảo chung. Thuộc tính của dầu tại 15°C, mật độ 0.86 kg/dm³, và tại 40°C, độ nhớt của dầu là 40 centipoise.

CÔNG TY CỔ PHẦN CƠ ĐIỆN GOMEC VIỆT NAM hiện tại là đối tác phân phối độc quyền cho các sản phẩm thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm Alfa Laval tại Việt Nam. Khách hàng cần hỗ trợ tư vấn về các giải pháp hồi nhiệt bằng thiết bị trao đổi nhiệt, vui lòng liên hệ chúng tôi qua hotline: 0379 586 886 để được hỗ trợ tư vấn trực tiếp.

CÔNG TY CỔ PHẦN CƠ ĐIỆN GOMEC VIỆT NAM

Số 68, LK 23, Khu đô thị Vân Canh, Hoài Đức, Hà Nội

Hotline: 0379 586 886

Fanpage: Gomec Việt Nam